طريقة تحديد العمر المطلق للصخور

العمر المطلق

العمر المطلق هو مفهوم جيولوجي فيزيائي يتم استخدامه لتحديد عمر بعض المعادن والصخور بدقة، ويمكن تحديد ذلك من خلال طرق تعتمد على التجزئة الذرية للعناصر المشعة، وقد اكتشف العالم الفرنسي هنري بيكوريل أن اليورانيوم العنصر الذي يمتلك القدرة على الإشعاع التلقائي، والإشعاع المنبعث منه يحرق أفلاما فوتوغرافية ويؤين الغازات، وتتسبب هذه الإشعاعات أيضا في توهج بعض المركبات الكيميائية في الظلام، مثل كبريتيد الزنك.

يتكون الإشعاع الذري لعنصر معين نتيجة عدم استقرار التركيب النووي لإحدى نظائره، وتشمل أنواع الإشعاع الذري ما يلي:

• يتم إطلاق أشعة جاما نتيجة الإشعاع، حيث ينتقل العنصر من حالة طاقة عالية إلى حالة طاقة منخفضة، دون أن يتغير العدد الذري أو الكتلة للعنصر، وتكون أشعة جاما المنبعثة من هذا الإشعاع الذري عبارة عن موجات كهرومغناطيسية أطول من الأشعة السينية. وبسبب ذلك، تمتلك أشعة جاما القدرة على اختراق الأجسام الصلبة بشكل أكبر بكثير من الأشعة السينية.
• يعتبر الإشعاع بانبعاث جسيمات ألفا هو نوع من الإشعاع، حيث تعتبر جزيئات ألفا هي نوى عنصر الهيليوم، وتتكون كل نواة من هذه النوى من بروتونات ونيوترونات. ينخفض العدد الذري للعنصر المشع برقمين في هذا النوع من الإشعاع ويتناقص العدد الذري للعنصر المشع، وكذلك تنخفض الكتلة بقدار أربعة أرقام. يتم تحويل اليورانيوم 238، الذي يمتلك العدد الذري 92، إلى الثوريوم 234، الذي يمتلك العدد الذري 90. يحدث التحلل الذري عادة بانبعاث أشعة ألفا في حالة النوى الكبيرة جدا غير المستقرة بسبب حجمها الكبير وكتلتها.
• – يتم إصدار الإشعاع عن طريق إطلاق جسيمات بيتا، وجزيئات بيتا هي إلكترونات محاصرة في نوى بعض العناصر وتوجد في النيوترونات التي يمكن تحويلها إلى بروتونات ذات شحنة موجبة، ويحدث هذا النوع من الإشعاع عندما ينتقل الروبيديوم 87 العدد الذري 37 إلى السترونشيوم 87 العدد الذري 38 بفقدان جسيمات بيتا.

من خلال الحصول على إلكترون، يستطيع البروتون أن يحول إلكترونا إلى نيوترون. في هذه الحالة، ينخفض العدد الذري بواحد دون تغيير الكتلة الذرية. ويتم تحويل البوتاسيوم، الذي يحمل العدد الذري 19، إلى الأرجون، الذي يحمل العدد الذري 18، عندما تتلقى نواة البوتاسيوم إلكترونا. بعض النظائر تحتاج أحيانا لعدة مراحل من الانحلال الذري لتحقيق حالة مستقرة. يتحلل اليورانيوم 238 ثماني مرات عن طريق فقدان جسيمات ألفا وست مرات عن طريق فقدان جسيمات بيتا ليتحول إلى الرصاص 20.

معدل اضمحلال النظائر المشعة لا يتغير بغض النظر عن كيفية تغير الظروف الفيزيائية والكيميائية المحيطة بهذه النظائر، وكمية النوى التي تتحلل تعتمد على الكمية الإجمالية للنظائر المشعة في وقت معين.

يعبر العلماء عن معدل تحلل النظائر بمرور الوقت لتقليل أي كمية من المواد المشعة بمقدار النصف، لأن فترة نصف العمر المشع لكل عنصر محددة ولا تعتمد على المقدار الأصلي للعنصر في بداية الاضمحلال، ويسمى هذا الفترة الزمنية نصف عمر العنصر المشع.

تحديد الجيولوجيين العمر المطلق للصخور

يرتبط مبدأ تحديد العمر المطلق للصخور بدراسة تفاعلات الانحلال النووي للنظائر المشعة المخبأة بين الصخور، وتمتد الجذور التاريخية لدراسة تفاعلات الانحلال النووي إلى اكتشافات العالم الفرنسي هنري بيركل عام 1896 م سلوك نظير اليورانيوم المشع، حيث تمكن من انبعاث أشعة نووية، كما وجد بيكريل تلقائيًا أن هذه الأشعة تدمر الأفلام الفوتوغرافية وتؤين جزيئات الغاز التي تمر عبرها، وتعتبر هذه الظاهرة الطبيعية هي النشاط الإشعاعي لنظير اليورانيوم المشع.

أظهرت الدراسات وجود نظائر مشعة لعدة عناصر في قشرة الأرض. تعرف النظائر على أنها ذرات من نفس العنصر تتشابه في العدد الذري وتختلف في العدد الكتلي، أي أن لديها نفس عدد البروتونات والإلكترونات وتختلف في عدد النيوترونات في النواة. على سبيل المثال، اليورانيوم هو عنصر يحتوي على عدة نظائر ويتميز بتركيبة غير مستقرة، حيث يطلق باستمرار جسيمات صغيرة أو ما يسمى بالأشعة من النواة.

تصاحب تفاعلات الانحلال النووي هذه إطلاق طاقة حرارية هائلة، وتستخدم بعض النظائر المشعة لتوليد الحرارة، لذلك تسمى مولدات أو مصادر للطاقة الذرية أو النووية، بالإضافة إلى الإشعاع النووي المنبعث من النظائر المشعة لعدة أنواع، بما في ذلك أشعة ألفا، وهي نوى ذرات الهيليوم و تحتوي على بروتونات ونيوترونات من التفاعل النووي.

مما يبين أن نواة اليورانيوم فقدت بروتونين واثنين من النيوترونات، زيؤدي ذلك إلى تحولها لذرة جديدة من العنصر والثوريوم، ويحدث مثل هذا التفاعل النووي من خلال إطلاق أشعة ألفا من نوى الذرات الكبيرة، والتي غالبًا ما تكون غير مستقرة، كما أن أشعة “بيتا” تعتبر إلكترونات سالبة الشحنة.

الأشعة الجاما هي تلك التي تنبعث عندما تكون الذرات المشعة ثابتة في عدد كتلتها وعددها الذري، وتعتبر الأشعة الجاما موجات كهرومغناطيسية وليست جسيمات أو جزيئات مادة. تتشابه الأشعة الجاما في العديد من الخواص مع الضوء والأشعة السينية، ولكنها تتميز بطول موجي قصير. يحدث تحلل في بعض النظائر المشعة على عدة مراحل، ويصل في النهاية إلى حالة مستقرة.

طريقة حساب العمر المطلق للصخور

يتم حساب العمر المطلق للصخور باستخدام الطرق التالية

• يتم تحديد العمر بتحديد عمر صخرة واحدة، ثم تحديد عمر الصخور الأخرى بناء على موقعها في طبقات الصخور، وذلك لتوضيح ترسب المجموعة الأولى المكونة من أربع طبقات في قاع البيئة المائية للترسب، وهذا هو الحدث الجيولوجي الأول.
• – بعدما تعرضت المنطقة لقوى الرفع، صعدت الصهارة البازلتية وتم ترسيخ المجموعة الأولى على شكل قاطع البازلت، ورفعت طبقات من الصخور والبازلت إلى سطح الأرض، مما أدى إلى تأثر السطح الخارجي للصخور بتآكل العوامل الجوية وجعلها غير متساوية.
• فعلى سبيل المثال، إذا كان عمر القاطع 40 مليون سنة، فإنّ المجموعة الأولى يزيد عمرها عن 40 مليون سنة، بينما المجموعة الثانية أقل من 40 مليون سنة 2، ويمكن معرفة عمر الصخور على مبدأ نصف العمر، أي من خلال معرفة عمر تحلل بعض المعادن والعناصر في الصخر وتحليل الصخر ومعرفة نسب العناصر ونظائرها بحيث يمكن معرفة عمر الصخر.

الفرق بين طريقة العمر النسبي وطريقة العمر المطلق

تحدد الفرق بين طريقة العمر النسبي وطريقة العمر المطلق لقياس عمر الصخور كما يلي:

• العمر النسبي: يتم تحديد عمر طبقات الصخور بالاستناد إلى علاقتها النسبية ببعضها البعض، بدون معرفة العمر الفعلي لكل طبقة. تعتمد هذه الطريقة على مبدأ التراكب الذي وضعه جيمس هوتون (1726-1797)، والذي يشير إلى أن أي طبقة صخرية غير مشوهة تكون أكبر سنا من الطبقة الموجودة فوقها عندما تكون منفصلة عن بقية الطبقات.
• العمر المطلق: يعتمد على تحديد العمر الفعلي للطبقات بالسنوات، ففي عام 1910 اقترح العالم فريدريك سودي اسم النظير والذي يعني “نفس مكان التعبير” للذرات التي تختلف في الوزن الذري ولكنها متشابهة في الأعداد الذرية، وبالتالي يمكن تعريف النظائر على أنها ذرات من نفس العنصر الكيميائي لها نفس العدد الذري، ولكنها تختلف في عدد كتلتها.
  في الحالة المستقرة، يتم التعبير عن النظير المشع عن طريق النشاط الإشعاعي، حيث تنبعث أنواع مختلفة من الجسيمات من النواة على شكل طاقة أو إشعاع، ويُطلق على النظير المشع الأصلي اسم النوكليد الأصلي، أما النظير الذي يتكون بسبب الاضمحلال الإشعاعي فيسمى النواة الوليدة.